多维近场地震作用下RC框架结构地震响应分析及隔震效果研究范文

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论文字数:43266 论文编号:sb2021080810350336788 日期:2021-08-18 来源:硕博论文网
本文的研究主要针对六层框架结构进行分析,研究多层框架结构形式在近断层脉冲型地震作用下的响应情况,对其他结构形式(如剪力墙结构、框架-剪力墙结构、框架-筒体结构等)在近断层脉冲型地震作用下的响应情况还有待研究。

第一章 绪论

1.1 引言
全人类都共同面对着一种严重的自然灾害—地震,地震在全球平均每年发生五百万次[1],地震对人类生产、生活造成严重损失,目前的科学技术,还不能对地震的发生进行准确的预测,但有些国家可以对地震进行预报,以期减小地震对人员的伤亡。我国为地震多发国家,位于两大地震带上,东有环太平洋地震带,西有欧亚地震带,且许多大城市位于地震带上。我国规范[2]规定:对于 6 度及以上地区的建筑必须进行抗震设计。对 20 世纪以来的几次重大地震的震害调查与研究发现,近场地震比中远场地震具有明显的速度脉冲和方向性效应、具有明显的上下盘效应等,近场地震会加大建筑结构的动力响应、加重震害[3]。在极震区明显体现出震害的集中性,这引起了地震工程学界对近场地震的高度重视。随着对地震研究的深入,有学者发现速度脉冲型地震对基础隔震结构和非隔震结构的影响明显不同。在 Northridge 地震、Kobe 地震、Kocaeli 地震以及Chi-Chi 地震中,断层破裂都发生在城市区域,这些地震都具有显著的脉冲效应对所在的城市区域造成了大量结构破坏和人员伤亡[4-6]。
在地震的作用下,结构会遭受不同程度的损伤。为了降低地震对结构的损伤,有学者分析了远场地震作用下基础隔震结构的地震响应。洪俊青等[7]人通过加载水平和竖向两个方向的近场地震分析隔震支座的受力状态及结构的动力响应规律。杜永峰等[8, 9]人也有相关研究,他们把近断层速度脉冲地震和远场地震输入到基础隔震结构中,观察基础隔震结构在近断层速度脉冲地震和远场地震作用下的抗倾覆性能,发现具有速度脉冲的近场地震比远场地震对基础隔震结构更加不利。地震作用对建筑的损伤是不可逆的,分析地震作用对建筑的损伤值,是评估抗震性能的有效工具。我们通过对建筑的损伤进行评价,分析建筑在地震作用下是否安全。地震作用对结构的损伤破坏可以分为两种形式[10, 11]:一、首次的超越破坏,二、累积的损伤破坏。
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1.2 研究现状
1.2.1 多维近场地震及其特性的研究现状
向前方向效应是引起近场地震速度脉冲特性的主要原因。具有向前方向效应的近场地震是由断层破裂传播的多普勒效应引起的表现为双向的速度脉冲[34]。滑冲效应是指地震时断层两盘发生相对错动或滑动,最后在滑动方向上产生地面永久位移的现象[35]。滑冲效应表现为单向速度脉冲,断层产生永久位移的大小与产生永久位移的时间是产生滑冲效应速度脉冲的主要因素。引起近断层结构破坏的一个主要原因是速度脉冲,为识别具有速度脉冲的近场地震,研究人员进行了一系列的研究工作。Zhai[36]基于能量法对近断层速度脉冲型地震进行定量识别。Tang 和 Zhang[37]基于反应谱与无量纲反应谱之间的同余关系提出一种识别脉冲的方法。谢俊举[38]等基于小波分析方法提出了识别脉冲型地震的方法。然而,速度脉冲的产生机理有两种,目前对区别两种速度脉冲的研究[39-41]相对较少,这两种速度脉冲对建筑结构地震响应的影响还需要深入研究。
1.2.2 隔震结构与非隔震结构的研究现状
隔震支座是基础隔震结构主要的耗能构件,也是地震作用下保障结构安全的关键构件。Huang 等[42]对铅芯橡胶支座(LRB)进行了静、动力试验,发现支座在两个水平方向表现出较强的耦合作用。为考虑这种双向耦合作用,Casciati[43]提出了 Bouc-Wen 模型的改进形式。对隔震支座的研究不止在其水平特性上,对其稳定性的研究也得到了学者们的重视[44]。Buckle 等[45]通过试验研究,发现支座临界荷载值随着侧向位移的增大而减小。所以在进行支座设计时,考虑临界荷载的变化尤为重要。然而,多数有限元软件中通常不能考虑这种变化效应。
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第二章 框架结构有限元模型建立及地震选择

2.1 地震选取与分类
结合贾俊峰、刘启方等对近场地震的研究[14, 16, 34-38],从中选取近场地震记录。根据速度脉冲的产生机理[39-41]进一步将所选近场地震记录分成滑冲效应脉冲和向前方向性脉冲。对于无明显速度脉冲效应的地震则归类为远场地震。从美国太平洋地震中心强震数据库 (PEER Ground Motion Database-PEER Center)中每种类别各选 9 条地震记录,共选取 27 条地震记录。所选用地震记录及其参数见表 2-1~表 2-3。表中场地类别根据 30m厚度内土体剪切波速s30V 确定。场地划分标准[61]为:A 类,s30V 1500m/s ; B 类,s30760m/s V 1500m/s ;C 类,s30360m/s V 760m/s ;D 类,s30180m/s V 360m/s ;E 类,s30V 180m/s 。从表中发现近场地震往往具有较大的竖向加速度,其幅值有时甚至超过水平向加速度幅值(如 Chi-Chi 地震 TCU068 站台),这将对结构产生不利影响,因此,分析中须考虑竖向加速度作用。
图 2-1 至图 2-3 为地震加速度反应谱,运用了华南理工大学崔济东[62]博士研发的SPECTR 软件进行计算得出。图 2-4 中为典型的速度时程曲线。(a)为滑冲效应脉冲,图中可见明显的速度脉冲,该脉冲主要呈现单向脉冲。(b)为向前方向性脉冲,图中同样可见明显的速度脉冲,该脉冲主要呈现双向脉冲。(c)为远场地震,图中并未包含速度脉
表 2-1 滑冲型地震记录
表 2-1 滑冲型地震记录
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2.2 结构模型建立
本文以某 6 层 3 跨 3 榀钢筋混凝土(RC)框架结构作为研究对象。结构模型的工程建设场地假设为Ⅱ类,基本风压假设为 0.45kN/m2,地面粗糙度假设为 C 类,环境类别假设为二类,抗震设防烈度假设为 8 度,设计基本地震加速度为 0.2g。混凝土采用 C40,钢筋均采用 HRB400,箍筋采用 HPB300。框架结构设计满足《混凝土结构设计规范(GB50010-2010)》(2015 年版)和《建筑抗震设计规范(GB 50011-2010)》(2016 年版)要求。结构层高均为 3 米,平面长为 18m,宽为 8m。长度方向(X 方向)为 3 跨,跨度均为 6m;宽度方向(Z 方向)为 2 跨,跨度均为 4m,结构平面图及梁、柱编号如图 2-5所示。框架结构立面图及梁、柱构件配筋如图 2-6 所示。各层梁、柱截面尺寸见表 2-4。
图 2-5 框架结构平面图
图 2-5 框架结构平面图
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第三章 多维近场地震作用下结构响应分析.................................25
3.1 多维近场地震作用下结构加速度响应........................................ 25
3.2 多维近场地震作用下结构基底剪力响应..................................... 27
第四章 多维近场地震作用下框架结构损伤分析......................35
4.1 多维近场地震作用下框架结构最终损伤分析..................................... 35
4.1.1 多维近场地震作用下框架结构各层柱损伤................................ 35
4.1.2 多维近场地震作用下框架结构各层梁损伤............................... 37
第五章 结论与展望.....................................61
5.1 结论...................................... 61
5.2 展望........................................ 62

第四章 多维近场地震作用下框架结构损伤分析

4.1 多维近场地震作用下框架结构最终损伤分析
4.1.1 多维近场地震作用下框架结构各层柱损伤
图 4-1 至图 4-4 给出了不同类型地震作用下六层框架结构各层柱的总体损伤指数。图 4-5 为各类地震作用下框架结构各层柱损伤指数平均值。从图中可知,三类地震作用下非隔震结构柱损伤呈“波浪型”,一层损伤大,二、三、四层损伤递减,五层损伤增大,六层损伤再次减小,第五层损伤的突变主要是因为框架结构柱在第五层截面减小使损伤增大。基础隔震结构框架柱在大多数地震作用下的损伤分布与非隔震结构类似,少数几条地震对基础隔震结构的第三层造成最大损伤,但是损伤指数不大。图 4-1 表明,滑冲效应地震对非隔震结构的损伤较大,Chi-Chi 地震 TCU-074 号地震对非隔震结构第一层出现损伤最大值 0.4852,第五层也出现较大的损伤 0.3819,达到了中等损伤层度。滑冲效应地震对六层非隔震框架结构柱有较大的损伤,有三条地震对第一层柱出现中等损伤,有四条地震对第五层柱出现中等损伤。加设铅芯橡胶隔震支座后,基础隔震结构各层损伤值均未超过 0.08,铅芯橡胶隔震支座对滑冲效应地震的隔震效果良好。
图 4-1 滑冲效应地震作用下结构各层柱损伤曲线
图 4-1 滑冲效应地震作用下结构各层柱损伤曲线
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第五章 结论与展望

5.1 结论
本文以近场地震作用下非隔震框架结构和基础隔震结构为研究对象,对近场地震结构损伤及失效机理展开系统研究。首先建立数值分析模型,然后选取近场速度脉冲型地震(滑冲效应地震和向前方向性地震)和远场地震,分别对非隔震结构和基础隔震结构进行地震响应分析。得到以下研究成果:
(1)在各类地震(滑冲效应地震、向前方向性地震和远场地震)作用下铅芯橡胶隔震支座可以有效的减小结构的各层加速度响应、减小基地剪力响应;同时也会增大结构底层的层间位移响应,对第一层层间位移的影响尤为显著,特别是向前方向性地震作用下,隔震结构的第一层层间位移较大,设计时可以考虑增加阻尼器等装置,限制结构的位移。速度脉冲效应对非隔震结构基底剪力有较大的影响。滑冲效应地震作用下对两个水平方向上的基底剪力最大,向前方向性地震次之,远场地震作用下对两个方向的基底剪力最小,基底剪力在这三类地震作用下呈现递减的规律。此外,还需要注意隔震支座的破坏情况,隔震支座的破坏可能引起结构发生倒塌。
(2)三类不同地震对非隔震结构第一层和第五层框架柱的损伤影响较大,滑冲效应地震作用下框架柱的损伤最大,向前方向性地震次之,远场地震对框架柱的损伤最小;三类不同地震对非隔震结构框架梁的损伤指数很小,加设隔震支座后框架梁的损伤与非隔震结果相似;铅芯橡胶隔震支座对三类地震都能很好的降低框架结构的损伤,但铅芯橡胶隔震支座对滑冲效应地震的隔震能力要强于向前方向性地震。
参考文献(略)
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